DE60119701T2

DE60119701T2 - Verfahren und vorrichtung zum heizen und kühlen von gebäuden

Info

Publication number: DE60119701T2
Application number: DE60119701T
Authority: DE
Inventors: Jörgen GETHER; Harald Gether
Original assignee: Gether AS
Current assignee: Gether AS
Priority date: 2000-03-09
Filing date: 2001-03-05
Publication date: 2006-09-14
Anticipated expiration: 2021-03-06
Also published as: WO2001067004A3; NO20001247D0; AU2001239593A1; EP1264148A2; WO2001067004A2; ATE326670T1; DE60119701D1; EP1264148B1; ES2264975T3

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Heizen und Kühlen (Klimaregelung) von Gebäuden und Häusern, in die ein typischerweise 5–15 Tage vorhaltender Wärmespeicher mit Wärmepumpen und Belüftung eingebaut ist, um in einer speziell optimierten Synergie zu arbeiten.
Hintergrund
Große geografische Gebiete auf der Welt haben ein Klima, das im Allgemeinen eine jahreszeitliche Veränderung von einer warmen Periode im Sommer zu einer kalten Periode im Winter durchmacht. Diese jahreszeitliche Veränderung hängt natürlich größtenteils von der lokalen Topografie ab, ob es sich nun um ein Binnen- oder maritimes Klima und den in Frage kommenden aktuellen Breitengrad handelt, ist aber nichtsdestoweniger für gewöhnlich von einem solchen Ausmaß, dass Gebäude/Häuser Einrichtungen benötigen, um während der warmen Periode gekühlt und während der kalten Periode geheizt zu werden, um eine angenehme Innentemperatur von 20–22°C aufrechtzuerhalten. Beispielsweise können in Norwegen über das Jahr gesehen die Durchschnittstemperaturen von –5°C bis +20°C schwanken, während Mittelmeerländer und große Teile der USA typischerweise durchschnittliche Temperaturveränderungen von 0°C im Winter bis +30°C im Sommer erfahren können. Somit ist ungeachtet dessen, ob man in einem kalten oder warmen Klima lebt, eine erhebliche Energiemenge notwendig, um in Gebäuden/Häusern eine angenehme Temperatur aufrechtzuerhalten.
Für Norwegen, das ein relativ kaltes Klima hat und praktisch keine Klimaanlagen verwendet, wird geschätzt, dass 71% des Energieverbrauchs in Wohnhäusern zum Heizen und zur Warmwassererzeugung aufgewendet werden. Diese Zahl ist für Geschäftsgebäude aufgrund eines größeren Bedarfs an elektrischer Energie zum Betreiben der maschinellen technischen Ausrüstung etwas niedriger. Der Gesamtenergieverbrauch zum Heizen von Häusern und Geschäftsgebäuden wird auf 42,5 TWh/Jahr geschätzt. Pro Kopf beträgt dies ca. 10 MWh/Jahr zu Heizzwecken, wobei es sich bei ungefähr 2/3 um Strom aus Wasserkraft handelt. Obwohl es große Schwankungen in den Energieverbrauchsmustern in verschiedenen Bereichen der Welt gibt, wird aus diesen Zahlen nichtsdestoweniger ersichtlich, dass auf der Welt enorme Mengen an Energie zum Heizen/Kühlen von Häusern und Gebäuden verbraucht werden, und dass auf diesem Sektor ein riesiges Energieeinsparungspotential besteht.
Stand der Technik
Es ist bekannt, dass Wärmepumpen sehr wirksame Hilfsmittel sind, um Wärmeenergie aus einer Niedrigtemperaturquelle abzuziehen und die Wärme an einen Bereich mit einer relativ hohen Temperatur abzugeben. Allgemein ausgedrückt könnte man sagen, dass eine Wärmepumpe wie ein umgekehrter Kühlschrank arbeitet und normalerweise 3 bis 4 Mal mehr Wärme liefern kann, als sie an Energie braucht, die zum Betreiben des Prozesses zugeführt werden muss. Das heißt, während Direktheizsysteme wie gasbefeuerte Heizungen, Holzheizungen, Elektroheizungen usw. eine theoretische Obergrenze von 100% Wirkungsgrad und einen praktischen Wirkungsgrad haben, der deutlich unter dieser Grenze liegt, haben herkömmlich verfügbare Wärmepumpen normalerweise Wirkungsgradraten in der Größenordnung von 300 bis 400%. Somit kann deshalb durch Einsatz industriell verfügbarer Wärmepumpen die Senkung des Energieverbrauchs zum Heizen/Kühlen von Gebäuden bis zu 70 bis 80% betragen.
Es sind verschiedene Arten von Wärmepumpen bekannt, die sich allgemein dadurch kennzeichnen lassen, aus welchem Medium sie die Wärme abziehen und an welches Medium sie die abgezogene Wärme abgeben. Bei Gebäuden und Häusern wird die Wärme normalerweise an ein Medium abgegeben, das die Wärme im Gebäude verteilen kann, was in der Praxis Wasser oder Luft bedeutet, das bzw. die nacheinander im Gebäude umgewälzt wird. Was die Wärmequelle von Wärmepumpen betrifft, gibt es eine allgemeine Regel, die festlegt, dass die Wärmequelle eine Temperatur haben sollte, die so hoch wie möglich und vorzugsweise über das Jahr relativ stabil sein sollte. Dies hat zum Einsatz von Wärmequellen wie einem Strömungsmedium geführt, das in Tiefbohrlöchern in Festgestein, in im Erdreich eingebetteten Rohren, in Rohren, die in Süßwasser, Flüssen, Meerwasser usw. versenkt sind, zirkuliert.
Es gibt jedoch eine Anzahl von Problemen, die mit diesem Lösungsansatz verbunden sind. Gestein und Erdreich haben eine sehr niedrige Wärmeleitfähigkeit. Somit erfordert Gestein/Erdreich eine erhebliche Menge an Zeit, um die aus dem Strömungsmedium abgezogene Wärme zu ersetzen. Deshalb müssen zur Erlangung eines ausreichend großen Wärmespeichers ziemlich lange Schleifen und/oder Bohrlöcher gesetzt werden, damit Wärme langfristig abgezogen werden kann, ohne die Wärmequelle übermäßig abzukühlen. Und als Folge werden die Investitionskosten für diese Art von Wärmeabzug oftmals untragbar. Das Problem bei der niedrigen Abzugsleistung aus den Wärmespeichern kann gelöst werden, indem offene Gewässer als Wärmequelle verwendet werden. Es ist möglich, große Wärmemengen aus Wasser mit relativ geringen Volumina (kurze Abzugsschleifen) aufgrund einer hohen spezifischen Wärmekapazität von Wasser und der Möglichkeit, abgezogene Wärme durch Konvektion zu ersetzen, abzuziehen. Auch hat Wasser in gemäßigten Tiefen eine stabile und vorteilhaft hohe Temperatur von 4°C. Somit ist Wasser in vielerlei Hinsicht eine ideale Wärmequelle. Allerdings gibt es Probleme mit Korrosion und Verschlammung, insbesondere bei Meerwasser, und diese Lösung ist strikt auf Gebäude und Häuser in der Nähe (innerhalb von 100 m) von offenem Gewässer beschränkt. Der größte Teil von Gebäuden und Häusern liegt außerhalb dieser Reichweite.
Ein anderer Lösungsansatz zum Senken der hohen Investitionskosten für Wärmepumpen besteht darin, Wärme aus der Außenluft abzuziehen und diese Wärme auf Wasser oder Luft zu übertragen, die im Inneren der Gebäude/Häuser verteilt wird. Diese Wärmepumpen können direkt in den Wänden bestehender Häuser installiert werden und liefern eine Punktabgabe von Wärme in Form von Warmluft. Solche Lösungen sind vom Preis her sehr wettbewerbsfähig, haben aber insofern einen Hauptnachteil, als sie erheblich an Wirkung verlieren, wenn der Bedarf an Wärme am größten ist. Das heißt, sie verlieren viel ihrer vorteilhaften Wärmeabzugswirkung, wenn die Außenlufttemperatur (unter 0°C) sinkt. Auch waren solche Lösungen mit starken Problemen mit dem Einfrieren der Wärmeaustauscheroberflächen konfrontiert, wenn die Außenlufttemperatur auf unter +2°C fiel. Somit wird diese Lösung als nur für küstennahe Klimabereiche geeignet angesehen, wo die Temperatur selten unter 0°C fällt.
Ein weiterer Lösungsansatz zum Senken des Energieverbrauchs zum Heizen oder Kühlen von Gebäuden besteht darin, die natürlichen jahreszeitlichen Temperaturveränderungen zu nutzen, um ausreichend große Wärmespeicher aufzubauen, die in der darauffolgenden Saison zum Heizen oder Kühlen des Gebäudes verwendet werden sollen. Ein Beispiel einer solchen Technologie ist in der SE 425 576 beschrieben. Beispielsweise kann die sich aus Sonnenstrahlung ergebende Wärme vorteilhaft zum Heizen von Gebäuden verwendet werden, und kann den Bedarf an energieverzehrenden Heizsystemen aus der Welt schaffen. Diese Art des passiven solaren Wärmegewinns wird durch die Architektur des Gebäudes erzielt, indem es zur Optimierung der Absorption von Sonnenstrahlen über Tages- und Jahreszyklen ausgelegt wird. Das heißt, Wärme wird gespeichert, indem man das einfallende Sonnenlicht auf eine große thermisch wirksame Masse (im Allgemeinen Wände oder den Boden im Inneren des Gebäudes) fallen lässt, oder es durch verschiedene Arten von Wärmekollektoren konzentriert und entsprechend gespeichert wird. Es wird eine höhere oder niedrigere Heizwirkung erzielt, indem der Betrag der Beschattung vor dem Sonnenlicht variiert wird. Die Akkumulierung von Wärme ermöglicht es, dass sie gespeichert und später, wenn sie gebraucht wird, verwendet werden kann. Jedoch ist in kalten Klimazonen die verfügbare Sonnenstrahlung geringer als in warmen Klimazonen, während der Bedarf an Wärme größer ist. In der Folge müssen die Wärmespeicher sehr groß sein, um ausreichend Wärme für einen langen und kalten Winter zu enthalten, und bedürfen auch einer umfassenden Wärmeisolierung, um die Wärme über lange Perioden (mehrere Monate) zu erhalten. Somit stehen dieser Lösung auch unerschwingliche Kosten gegenüber, und sie hat deshalb keinen Zugang zum allgemeinen Gebrauch gefunden. Die SE-A-425 576 ist stellvertretend für die Merkmale des Oberbegriffs der Ansprüche 1 und 8.
Aufgabe der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Heizen und Kühlen von Gebäuden und Häusern bereitzustellen, die die vorstehend angegebenen Probleme lösen. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Verfahrensschritte des kennzeichnenden Teils der Ansprüche 1 und 8 gelöst.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Die Aufgaben dieser Erfindung lassen sich lösen, indem charakteristische Merkmale natürlicher Temperaturschwankungen im Außenklima genutzt werden. Die Außentemperatur durchläuft in vielen Gebieten drei typische natürliche Schwankungsmuster: Tag/Nacht, Durchziehen von Wetterlagen und jahreszeitliche Veränderungen. Ein Beispiel für solche natürlichen Schwankungen ist in 1 dargestellt, das die mittlere Tageslufttemperatur in der ersten Hälfte von 1999 für die Stadt Oslo, Norwegen, angibt. Es sind die typischerweise in 1–15 Tagen auftretenden Temperaturveränderungen aufgrund durchziehender Wetterlagen und die Tag-/Nachtveränderung, die von Bedeutung sind, da diese dazu verwendet werden können, Hitze zum Wärmen von Gebäuden in relativ milden/warmen Perioden abzuziehen, oder umgekehrt, Wärme zum Kühlen von Gebäuden in relativ kühlen/kalten Perioden abzuleiten, und dann diese Wärme/Kälte in mäßig großen Wärmespeichern mit mäßiger Wärmeisolierung zu speichern.
Somit wird im Falle des Heizens von Gebäuden/Häusern in einem kalten Klima eine besonders gewinnbringende Synergie erzielt, wenn eine Wärmepumpe verwendet wird, die Wärme während dieser relativ warmen Perioden aus der Außenluft abzieht und diese dann in einem mäßig großen und mäßig isolierten Wärmespeicher speichert, der eine Speicherkapazität von 5–15 Tagen Wärmeverbrauch hat. Solch ein System vermeidet die Nachteile herkömmlicher Luft/Luft-Wärmepumpen, da der Betrieb der Wärmepumpen nur bei relativ warmen Perioden optimale Arbeitsbedingungen sicherstellt, so dass ein maximaler Wärmeabzugswirkungsgrad erzielt wird. Somit wird das volle Potential der vorteilhaften Wärmepumpentechnologie in allen Klimaverhältnissen sichergestellt und gleichzeitig die Gefahr von Erzeugungsunterbrechungen aufgrund von Eisbildung in den Gebläsen auf ein Mindestmaß gesenkt, da sich in den warmen Perioden typischerweise Außentemperaturen von über 0°C oder zumindest nur einigen Minusgraden ergeben. Im Falle des Kühlens von Gebäuden/Häusern in einer warmen Periode ist die Situation umgekehrt. Nun sind es die relativ kalten Perioden aufgrund durchziehender Wetterlagen und/oder bei Nacht, die unter Verwendung einer Wärmepumpe genutzt werden, um einen ausreichenden Kältevorrat im Wärmespeicher aufzubauen, der sich zu einem späteren Stadium anwenden lässt, um die Temperatur in den Gebäuden/Häusern während warmer Wetterperioden niedrig zu halten.
Um ein wärmetransportierendes Medium zu erzielen, um die Gebäude/Häuser mit einer optimalen Temperatur ungeachtet des Füllgrads des Wärmespeicher zu heizen/kühlen, sollte der Speicher vorzugsweise als ein oder mehrere Rohr/e ausgelegt sein, das/die mit groben Feststoffen gefüllt ist/sind, und die Beschickung oder das Abziehen von Wärme aus dem Speicher dadurch erfolgen, dass ein wärmetransportierendes Medium, das ein gas- oder wasserförmiges Medium umfasst, durch das/die Rohr/e geschickt wird. Auf diese Weise erhält der Wärmespeicher ein warmes und ein kaltes Ende, da die Wärme nach den Funktionsprinzipen von Gaschromatografsäulen zwischen der Fluidphase und der Feststoffphase aufgeteilt wird. Das heißt, solange ein Wärmegleichgewicht zwischen den Feststoffen und dem wärmetransportierenden Medium innerhalb einer angemessenen Zeit erzielt wird, besteht der Übergangsbereich zwischen dem kalten Teil und dem warmen Teil in jedem Rohr aus einem schmalen Bereich mit einem starken Temperaturgefälle, und wo der kalte und warme Bereich eine gleichmäßige (aber natürlich unterschiedliche) Temperatur haben (siehe 3). Somit lässt sich, indem das wärmetransportierende Medium in einer oder der entgegengesetzten Richtung durch den Wärmespeicher geschickt wird, mühelos ein warmes bzw. kaltes Medium zum Heizen/Kühlen erhalten. Auch lässt sich der Füllgrad des Speichers mühelos ermitteln, indem die Position des Temperaturgefälles zwischen dem warmen und kalten Bereich erfasst wird.
Ein Vorteil bei dieser Art von Wärmespeicher ist, dass sich Baumaterialien als Feststoffmaterial wiederverwenden lassen, wodurch die Abfallmenge aus der Bauindustrie reduziert werden kann. Jedoch können alle Arten von Feststoffmaterialien als Füllstoff in den Rohren verwendet werden, solange nur die Körnung der Partikel eng genug bemessen ist, um Hohlräume und Kanäle zwischen den festen Partikeln zu bilden und es somit dem flüssigen oder gasförmigen Medium des Wärmeträgers zu ermöglichen, ohne übermäßigen Strömungsdruckverlust durch das Feststofffüllmaterial zu strömen. Und zwar muss die Größenverteilung eng genug bemessen sein, um zu verhindern, dass kleinere Partikel die Hohlräume zwischen größeren Partikeln auffüllen. Der Wärmespeicher kann sich unter einem angrenzenden Außenbereich (z.B. einem Parkplatz) befinden, oder kann in ein oder unter einem Gebäude eingebaut sein. Er kann sowohl vertikal als auch horizontal betrieben werden.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass die Wärmeabzugsleistung der Wärmepumpe im Vergleich zum herkömmlichen Gebrauch von Wärmepumpen gesenkt werden kann, da keine Notwendigkeit mehr besteht, eine Wärmeabzugsleitung zum Abdecken des Wärmeverbrauchs zum erwartungsgemäß kältesten Wetter sicherzustellen, wenn auch die Wärmepumpe den niedrigsten Wärmeabzugswirkungsgrad hat. Somit lassen sich kleinere und kostengünstigere Wärmepumpen einsetzen, da sie immer bei optimierten Bedingungen gefahren werden, weil der zusätzliche Wärmebedarf bei kalten Perioden durch Entnahme von Wärme aus dem Wärmespeicher gedeckt wird. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass durch Nutzung relativ kurzer Klimaveränderungen relativ kleine Wärmespeicher mit mäßigen Isolierungseinrichtungen verwendet werden können. Dies trifft speziell im Vergleich mit Systemen zu, bei denen jahreszeitliche Veränderungen genutzt werden. Somit sind die erfindungsgemäßen Wärmespeicher im Vergleich zu herkömmlichen Speichern wirtschaftlich sehr wettbewerbsfähig.
Die Vorteile der Möglichkeit, klein bemessene Wärmepumpen und Wärmespeicher zu verwenden, können noch mehr gesteigert werden, indem die Altluft aus den Gebäuden/Häusern zur Rückgewinnung von Abwärme zur Wärmepumpe geleitet werden. Das bedeutet, die Wärmepumpe als Wärmeaustauscher zur Wiederverwendung der Abwärme zusätzlich zur Entnahme zusätzlicher Wärme aus der Außenluft zu verwenden. Dieses Arbeitsprinzip ist in 2 dargestellt und wird in der folgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung ausführlich erklärt.
Um die Wärmeabzugsbedingungen zu optimieren und sicherzustellen, dass der Wärmespeicher einen ausreichenden Vorrat an heißen und kalten Feststoffen aufweist, um den Heiz- oder Kühlbedarf der bevorstehenden Tage zu stillen, ist vorgesehen, dass das System eine Software und Regelgeräte zur Nutzung von Wettervorhersagen für die nächsten 5–7 Tage umfasst, um zu bestimmen, ob und wann die Wärmepumpe in Betrieb genommen werden sollte, um den Wärmespeicher zu füllen. Und zwar umfasst das Regelsystem Sensoren, die den Füllgrad des Wärmespeichers, die aktuellen Wetterbedingungen (Temperatur) und die aktuelle Wärmeabzugsrate im Gebäude/Haus überwachen und diese Information zusammen mit der Wettervorhersage verwenden, um zu entscheiden, wann die Wärmepumpe aktiviert werden sollte und wann der Heiz-/Kühlbedarf durch die im Wärmespeicher akkumulierte Wärme/Kälte optimal gedeckt werden kann. Auf diese Weise kann der Energieverbrauch zum Heizen/Kühlen von Gebäuden weiter gesenkt werden.
Somit stellt die Erfindung zusammengefasst eine sehr energiesparende und wirtschaftlich gangbare Methode und Vorrichtung zum Heizen von Gebäuden und Häusern bereit, die im Prinzip der energiesparenden Hybridmotorlösung für Autos entspricht, wobei ein klein bemessener Verbrennungsmotor konstant mit optimiertem Wirkungsgrad läuft, um elektrische Energie genau über dem durchschnittlichen Energiebedarf zum Antreiben des Fahrzeugs zu erzeugen, und wobei die überschüssige Elektrizität in Batterien gespeichert wird, um von den Elektroantriebsmotoren zu Zeiten, zu denen zusätzliche Belastung herrscht, verwendet zu werden. Das Verfahren lässt sich auf jede Art von Gebäude oder Haus anwenden, wie Appartementhäuser, Geschäftsgebäude, Bürogebäude, Lagerhäuser, usw., und lässt sich zum Heizen/Kühlen eines Raums oder mehrerer separater Räume oder Bereiche in einem Haus/Gebäude oder mehreren Häusern/Gebäuden anpassen. Der Einfachheit halber wird jeder Heiz-/Kühlbereich im Folgenden Belüftungseinheit (VU) genannt.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung wird mittels der Zeichnungen und Beispiele von bevorzugten Ausführungsform weiter erläutert.
Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt ein typisches Beispiel dafür, wie sich die durchschnittliche Tagestemperatur über ein Jahr in einem Binnenklima (Stadt Oslo) mit der gleichzeitigen Veränderung beim Stromverbrauch verändert.
2 zeigt eine schematische Ansicht des Funktionsprinzips einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Heizen und/oder Kühlen eines Gebäudes.
3 zeigt eine Schemaansicht einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Heizen und/oder Kühlen eines Gebäudes.
4 ist ein Ablaufdiagramm, das das Funktionsprinzip einer Zusatzsoftware für die Logiksteuerung der in 3 gezeigten Ausführungsform zeigt.
Das Funktionsprinzip der Erfindung ist in 2 schematisch dargestellt, worin Bezugszahl 1 eine Reihe von Belüftungseinheiten bezeichnet, 2 Ventilationskanäle zum Ansaugen von Altluft aus jeder VU angibt, 3 ein Kanal ist, der die Altluft zu einer Wärmepumpe 4 leitet, 5 eine Zufuhrleitung für Außenluft zur Wärmepumpe 4 ist, 6 eine Leitung ist, die frische, aus der Wärmepumpe 4 austretende Warmluft über Kanäle 7 und/oder das warme Ende 8 eines Wärmespeichers 11 in die VUs leitet. Der Wärmespeicher hat auch ein kaltes Ende 10 und einen Wärmeübertragungsbereich 9. 14 ist ein zweiter Außenlufteinlass, der über einen Kanal 12 an Ventilationskanäle 13 angeschlossen ist, um jeder VU und/oder dem kalten Ende 10 des Speichers 11 Kaltluft zuzuführen.
Jede VU wird durch Kanäle 7 mit Warmluft und durch Kanäle 13 mit Kaltluft versorgt, wenn sich die Vorrichtung im Heizmodus befindet. Die Warmluft wird je nach den Wetterbedingungen und dem Füllgrad des Wärmespeichers dadurch zugeführt, dass Warmluft aus dem warmen Ende 8 in den Kanal 6 abgezogen wird, solange der Füllgrad des Speichers zufriedenstellend ist. In diesem Fall wird Kaltluft durch den Einlass 15 angesaugt und zum kalten Ende 10 des Speichers 11 geschickt. Falls der Wärmespeicher weniger als zufriedenstellend gefüllt ist, um den voraussichtlichen Wärmebedarf der kommenden Periode zu stillen, wird die Wärmepumpe 4 aktiviert und Warmluft durch den Kanal 6 zu den Ventilationskanälen 7 geleitet. Eventuelle überschüssige Warmluft wird dann in das warme Ende 9 des Speichers 11 zur Wärmespeicherung eingeleitet. Die aus dem kalten Ende des Wärmespeichers 11 austretende Kaltluft wird durch den Kanal 12 und den Einlass 14 abgeleitet.
Allgemein nimmt eine Luft/Luft-Wärmepumpe frische kalte Außenluft auf, entzieht ihr einen Teil ihres Wärmegehalts, und gibt diese Wärme an einen separaten Luftstrom weiter, der zum Erwärmen der VUs verwendet wird, so dass die kalte Frischluft weiter abgekühlt und abgeleitet wird. Somit kann eine Wärmepumpe vom Anheben zum Senken der Temperatur übergehen, und indem dieser Ableitungsauslass für Kaltluft an das kalte Ende des Wärmespeichers (in 2 nicht gezeigt) angeschlossen wird, kann die Wärmepumpe dazu verwendet werden, Kälte im Speicher aufzubauen und/oder die Belüftungseinheiten 1 direkt zu kühlen, indem die Kaltluft durch die Kanäle 12 und 13 in sie eingeleitet wird. Somit kann die grundsätzliche wie in 2 dargestellte Lösung auch dazu verwendet werden, die Belüftungseinheiten zu kühlen. In diesem Fall wird die Warmluft durch einen Auslass am Kanal 6 (nicht gezeigt) abgeleitet, und Altluft wird aus einem Auslass am Kanal 3 ausgeleitet.
Darüber hinaus umfasst das Funktionsprinzip der Erfindung die optimierte Nutzung von vier Faktoren:

1. den Energieabzug/-gewinn durch jede Belüftungseinheit und die Summe davon für alle Einheiten,
2. den Füllgrad des Wärmespeichers,
3. die Wettervorhersage der bevorstehenden 5–7 Tage,
4. das Mikroklima (lokale Klima) einzelner Gebäude/Häuser.

Der Energieabzug/-gewinn ist typischerweise ein Ergebnis von Außentemperatur, Tageszeit und Wochentag, und ist die Gesamtsumme von Einstellungen für Ventilation und Temperatur durch die einzelnen Belüftungseinheiten. Wettervorhersagen liefern zwei Arten von Information: Vorhersage zu erwartender Außentemperaturen und Vorhersage zu erwartender Wetterarten (bedeckt, windig, Sonnenschein, usw.) für die bevorstehenden Tage. Mikroklimaparameter wie Gesamtenergieabzug/-gewinn, Tageszeit, Wochentag, Jahreszeit und Außentemperatur werden für jede Belüftungseinheit aufgezeichnet und abgespeichert, um eine statistisch ausreichende Basis bereitzustellen, um die Wettervorhersage zur Schätzung des Energieabzugs/-gewinns der kommenden Tage zu verwenden. Diese Schätzung und der Füllgrad des Wärmespeichers (gemessen am Verhältnis warmer/kalter Bereich) werden zur Bestimmung verwendet, wann und für wie lange die Wärmepumpen in Betrieb genommen werden sollten.
Auch werden die folgenden Faktoren in das Arbeitsschema der Erfindung mit aufgenommen: verbrauchte Ventilationsluft ist normalerweise die billigste Wärmequelle, weil sie im Allgemeinen eine höhere Temperatur und somit einen höheren Wärmegehalt als Außenluft hat. Altluft ist deshalb die primäre Wärmequelle, während es sich bei der Außenluft um eine sekundäre Wärmequelle handelt, die zusätzlichen Bedarf deckt. Die Wärmepumpe/n wird/werden immer mit optimaler (voller) Last gefahren, da keine Notwendigkeit besteht, die Abgabe auf die tatsächliche Abzugsrate der VUs einzustellen, solange die überschüssige Wärme im Wärmespeicher gespeichert werden kann. Und im Falle, dass der Wärmespeicher voll ist, wird die Wärmepumpe abgeschaltet und der ganze Wärmebedarf vom Wärmespeicher geliefert. Somit kann eine relativ einfache Wärmepumpe oder können relativ einfache Wärmepumpen ohne Lastregelungsfähigkeiten verwendet werden, wodurch sich ein ökonomischer Vorteil und optimale Betriebsbedingungen ergeben.
Der Funktionsablauf der Wärmepumpe/n und der Hilfsventile und Gebläse, um die Luftströme in die Vorrichtung zu treiben, wird durch ein Regelsystem bewerkstelligt, das unter der Steuerung eines Softwareprogramms steht, das den Betriebsmodus der Vorrichtung entsprechend Schätzungen des zu erwartenden Heiz-/Kühlbedarfs der bevorstehenden 5–7 Tage und der aktuellen Benutzereinstellungen für Frischluft und Temperatur jeder VU bestimmt. Solch eine Software kann auf gewöhnlichen und verfügbaren PCs ablaufen.
Beispiel 1
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, die besonders vielseitig und für Klimabedingungen mit großen jahreszeitlichen Temperaturschwankungen geeignet ist, ist in 3 schematisch dargestellt. Hier bezeichnet Bezugszahl 1 eine Reihe von Belüftungseinheiten, 3 ist ein Kanal für Altluft, der mit einem Gebläse 22 und einem Zweiwege-Strömungsableiter 26 ausgestattet ist, um die Altluft entweder zu einem Ableitungsauslass 17 oder einer Wärmepumpe 4 zu leiten. Die Wärmepumpe 4 ist an einen Einlasskanal 5 für frische Außenluft, einen Ableitungsauslass 18 und einen Zweig des Kanals 6 zur Zufuhr von warmer Frischluft angeschlossen. Der Kanal 6 verläuft vom warmen Ende 8 des Wärmespeichers 11 zu den Einlasskanälen 7 jeder VU 1 und ist mit Gebläsen 23 und 24 ausgestattet. Der Kanal 6 ist auch an einen Frischlufteinlass 5 angeschlossen, der mit einem Zweiwege-Strömungsableiter 27 und einem Ableitungsauslass 19 ausgestattet ist. Ein anderer Zweig des Kanals 6 ist an eine zweite Wärmepumpe 33 angeschlossen und mit einem Zweiwege-Strömungsableiter 28 ausgestattet. Die zweite Wärmepumpe 33 wird vom Einlass 34 mit frischer Außenluft versorgt und ist mit einem Auslass 16 für kalte Frischluft ausgestattet, der am anderen Ende an den Zufuhrkanal 12 für kalte Frischluft angeschlossen ist. Der Kanal 16 ist mit einem Zweiwege-Strömungsableiter 29 und einem Ableitungsauslass 20 ausgestattet. Darüber hinaus verläuft der Zufuhrkanal 12 für kalte Frischluft vom kalten Ende 10 des Wärmespeichers 11 zu den Einlasskanälen 13 jeder Belüftungseinheit 1 und ist mit einem Gebläse 25, einem Zweiwege-Strömungsableiter 10 mit einem Einlass 14 für frische Außenluft, und einem Zweiwege-Strömungsableiter 31 mit einer Auslassableitung 21 ausgestattet.
Somit ist jeder Belüftungseinheit die Gelegenheit gegeben, sowohl die Temperatur als auch die Ventilation (Zufuhr von Frischluft) regeln zu können. Bei den Einheiten kann es sich um Appartements, Büros oder Bürokomplexe oder einzelne Räume in diesen handeln. Jede VU wird nahe am Luftdruck gehalten, indem der Frischlufteingang mit der Altluftentfernung abgeglichen wird und der Altluftkanal 3 immer unter Saugwirkung steht. Die Wärmeübertragung erfolgt durch Ventilationsluft. Die Temperatur an den einzelnen Ausgängen wird durch Abgleichen der Ströme warmer und kalter Frischluft eingestellt. Der Wärmespeicher 11 besteht aus einem oder mehreren Rohr/en, das bzw. die mit Betongranulat mit durchschnittlichen Korndurchmessern von 20 bis 60 mm gefüllt ist/sind. Typische Maße sind 1–1,5 m im Durchmesser und eine Länge von 3–20 m, vorzugsweise 5–10 m. Die Gesamtmenge an Betongranulat sollte in Abhängigkeit vom lokalen Klima und dem Grad an Isolierung der Belüftungseinheiten ca. 0,5 bis 2,0 m³ pro m² Bodenfläche der Belüftungseinheiten betragen, die zu heizen/kühlen sind. Die Temperatur des warmen Bereichs im Wärmespeicher sollte im Bereich von 30–60°C, vorzugsweise 35–50°C, und noch bevorzugter 40–45°C liegen, während diejenige des kalten Bereichs ca. 5–20°C, vorzugsweise 7,5–15°C, und am bevorzugtesten 8–12°C betragen sollte. Der Wärmespeicher ist in einer horizontalen Position dargestellt, kann aber auch in einem Winkel zur Horizontalen ausgerichtet werden. Vorzugsweise sollten auch Einrichtungen zum Abzug von Kondenswasser vorgesehen sein. Dies ist besonders für feuchte und warme Klimazonen wichtig, in denen die Vorrichtung hauptsächlich zum Kühlen der Belüftungseinheiten eingesetzt wird. Dies kann dadurch vorgesehen werden, dass den Rohren einfach eine leichte Neigung in Bezug auf die horizontale Ebene und irgendeine Art von Ableitungskanal zum Abziehen des Kondenswassers verliehen wird. Die lineare Strömungsgeschwindigkeit der Ventilationsluft während des Durchgangs durch die Wärmespeicherrohre beträgt vorzugsweise 1–2 m/s oder darunter, um einen raschen Wärmeausgleich und moderate Druckverluste sicherzustellen. Ein rascher Wärmeausgleich ist wichtig, um ein steiles Temperaturgefälle (Bezugszahl 32 in 3) und dementsprechend einen kurzen Übergangsbereich 9 zwischen dem warmen 8 und kalten Bereich 10 im Wärmespeicher zu erzielen.
Durch Verwendung zweier Wärmepumpen besteht auch die Möglichkeit, die Speichergeschwindigkeit zum Füllen des Wärmespeichers zu erhöhen, wenn nur eine kurze Periode geeigneter Außentemperaturen vorhergesagt ist. Dieses Merkmal steigert die allgemeine Energiereduktion der Erfindung, da die Wahrscheinlichkeit gesenkt ist, die Wärmepumpen zwangsläufig bei weniger als optimalen Außentemperaturen betreiben zu müssen.
Wie erwähnt erfolgt der Betrieb der bevorzugten Ausführungsform in einem Satz unterschiedlicher Betriebsarten durch selektiertes Ein-/Ausschalten von Gebläsen und Wärmepumpen und Stellen von Zweiwege-Strömungsableitern/Ventilen. Bevorzugt sind die Betriebsarten folgende:
I. Neutral
In diesem Fall besteht eine ausreichende Wärmeerzeugung von anderen Quellen im Gebäude. Außenluft fließt bei 14 durch das Gebläse 25 zu den VUs 1, und wird über das Altluftgebläse 22 und den Ableiter 26 entsorgt.
II. Heizen

IIa: Normaler Heizmodus, Warmluft wird je nach Außentemperatur an den bzw. aus dem Wärmespeicher geliefert. Wie Modus I, aber der Ableiter 26 ist umgeschaltet, um Altluft durch die Wärmepumpe 4 zu leiten, wobei Frischluft durch 5 aufgenommen, erwärmt und durch das Gebläse 24 zu den VUs 1 transportiert wird. Je nach Außentemperatur kann die Wärmepumpe 4 mehr oder weniger Luft liefern als von den VUs 1 benötigt wird.
IIb: Falls von der Wärmepumpe 4 überschüssige Wärme produziert wurde UND der Wärmekern voll ODER mildes/warmes Wetter vorhergesagt ist, wird die Wärmepumpe 4 abgeschaltet, Außenluft bei 14 eingelassen, von den Ableitern 30 und 31 durch den Wärmespeicher abgeleitet und als warme Frischluft vom Gebläse 24 zu den VUs 1 übertragen.
IIc: Falls von der Wärmepumpe 4 überschüssige Wärme produziert wurde UND der Wärmekern NICHT voll UND kühles/kälteres Wetter zu erwarten ist, wird der Rest von der Wärmepumpe 4 durch das Zweiwegegebläse 23 zum Wärmespeicher übertragen und abgeleitet, um am Ableiter 31 auszutreten. Das System kann zwischen IIb und IIc umschalten, um die Belastung der Wärmepumpe 4 auf ein Mindestmaß zu reduzieren.
IId: Falls gegenwärtig mildes/warmes Wetter herrscht UND kaltes Wetter zu erwarten ist UND der Wärmespeicher NICHT voll ist, läuft die Wärmepumpe 33 an, nimmt Außenluft mit vollem Fassungsvermögen auf und lädt den Wärmespeicher mit dem 2- bis 3-fachen der gewöhnlichen Strömungsrate durch das Zweiwegegebläse 23, wobei Kaltluft bei 31 austritt. Gleichzeitig liefert das Gebläse 24 nach Bedarf Warmluft an die VUs.

III. Kühlen

IIIa: Falls warmes Wetter herrscht, tritt warme Luft durch 15 und den Ableiter 27 durch das Gebläse 24 als warme Frischluft zu den VUs 1 ein. Die durch 15 und 27 strömende Warmluft fließt durch den Wärmespeicher 11, wird gekühlt, und geht über die Ableiter 31 und 30 und das Gebläse 25 als kühle Frischluft zu den VUs 1.
IIIb: Herrscht kühles/kaltes Wetter, tritt kühle Frischluft bei 14 ein, fließt durch die Ableiter 30 und 31, um den Wärmespeicher zu laden, und tritt als warme Frischluft durch das Zweiwegegebläse 23 und über den Ableiter 27 aus. Ein Teil dieser Luft wird je nach Bedarf der VUs durch das Gebläse 24 als frische, warme Luft zu den VUs 1 geleitet.
IIIc: Herrscht anhaltend warmes Wetter, wobei Gefahr besteht, dass der Wärmespeicher entleert wird, schaltet die Wärmepumpe 33 ein, und warme Frischluft tritt durch 34 ein, um in der Wärmepumpe 33 gekühlt zu werden, und fließt dann zum Kühlen durch den Ableiter 29 sowohl zum Gebläse 25 als auch zu den VUs 1, und durch die Ableiter 30 und 31 zum Aufladen zum Wärmespeicher 11, und tritt dann als Warmluft durch das Zweiwegegebläse 23 und den Ableiter 27 aus.

Bevorzugt sollte die Software, die die zu verwendende Betriebsart auswählt, aus sechs Einzelbausteinen bestehen, die wie in 4 gezeigt, zusammenwirken. Baustein Eins ist separat und sollte vom Bediener jeder Vorrichtung als Eingabe vergeben werden, sollte aber vorzugsweise von Firmen geliefert werden, die speziell diese Dienstleistung anbieten, um eine ausreichend hohe Trefferquote bei den Vorhersagen sicherzustellen. Die übrigen Bausteine sollten vorzugsweise auf einem lokalen PC oder einer zentralen Prozessoreinheit (CPU) ablaufen, der bzw. die mit der Regelungsvorrichtung verbunden ist, die die Einstellungen von Gebläsen, Wärmepumpen und Ableitern steuert und regelt. Die Ablauffrequenz sollte in der Größenordnung von einmal pro Stunde liegen, und der Ablauf typischerweise jedes Mal 5–10 Sekunden dauern.
Um die Steuersoftware kompakt und schnell auszulegen, so dass sie in einer separaten kleinen Rechnereinheit untergebracht werden kann, die als Teil der Vorrichtung eingebaut ist, sollten die einzelnen Bausteine vorzugsweise ganz einfach ausgelegt sein, wobei die Hauptaufgabe in der Bestimmung von Auswahlkriterien liegt, um eine erste Entscheidungstabelle zur Bestimmung der Betriebsart (Baustein 4) und nach Einstellungen für Ableiter und Gebläse (Baustein 5) zu durchsuchen. Auch der letzte Baustein (Baustein 6) sollte einfach sein und Standardkarten verwenden, um Daten aus dem Programm in eine Betätigungsspannung für Schalter umzuwandeln. Im Einzelnen bestimmt der Baustein 4 einen Satz von Auswahlkriterien, indem er Vorhersagedaten mit dem Heiz- oder Kühlbedarf abgleicht, und um zu bestimmen, ob der Wärmespeicher Wärme abgeben oder liefern soll. Jedes Kriterium setzt oder löscht ein entsprechendes Bit in einem rechnerspezifischen Text (der typischerweise 32 Bits lang ist). Dieser Text wirkt wiederum als Suchprofil.
Das zentrale Konzept der Software ist die Entscheidungstabelle, wovon ein Beispiel in Tabelle 1 gezeigt ist. Die Tabelle macht es möglich, auf eine sehr schnelle und einfache Weise zu bestimmen, welche Betriebsart für eine optimale Energieeinsparung aus einem umfassenden Satz von Wetterbedingungen durch Verwendung von Bits ausgewählt werden sollte, die an geeignete Stellen gesetzt oder daraus gelöscht werden. Mit 30 Einzelkriterien wie in der Tabelle, lassen sich in etwa eine Milliarde Alternativen festlegen. In der Praxis reichen je nach den lokalen Klimabesonderheiten etwa 30–200 aus. Tabelle 1 stellt ein paar Beispiele einzelner Festlegungen für den Modus IIa und sich überlagernde Betriebsarten I und IIIa dar (z.B. werden alle Wochentage gleich behandelt).
Die Alternativen (die den Spalten in Tabelle 4 entsprechen) werden nacheinander als ganze Zahlen verarbeitet und in numerischer Reihenfolge in einer Tabelle mit dem dazugehörigen Betriebsmodus sortiert. Die richtige Betriebsbedingung wird dann durch eine Binärsuche in dieser Tabelle mit dem berechneten Suchprofil ermittelt. Indem die einzelnen Auswahlkriterien passend geordnet werden, haben ähnlich Betriebsbedingungen ähnliche Zahlenwerte, und die Suche wird den nächstgelegenen optimalen Passwert ergeben, wenn der tatsächliche Wert nicht in der Tabelle vorkommt. Wie in Tabelle 1 gezeigt ist, dient anstatt, Gruppen zu ordnen, ähnliche Kriterien zu ordnen, lerntechnischen Zwecken. In der Praxis können das tatsächliche Ordnen sowie spezielle Alternativen je nach den örtlichen Klimabedingungen schwanken, und lassen sich mühelos durch einen Fachmann entwickeln.
Beispiel 2
Dieses Beispiel gibt beispielhaft eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wieder, die sich für kalte Klimazonen und maritime Klimazonen eignet, wo es unwahrscheinlich ist, dass die Notwendigkeit aktiver Kühlung auftritt. Diese Ausführungsform entspricht genau der Ausführungsform von Beispiel 1, mit der Ausnahme, dass die Wärmepumpe 33, der rechte Zweig des Kanals 6 mit dem Zweiwege-Strömungsableiter 28, und der Kanal 16 mit dem Zweiwege-Strömungsableiter 29 und der Ausleitungsauslass 20 weggelassen wurden.
Beispiel 3
Dieses Beispiel gibt beispielhaft eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wieder, die sich für warme Klimazonen eignet, wo es unwahrscheinlich ist, dass die Notwendigkeit aktiver Heizung auftritt. Diese Ausführungsform entspricht genau der Ausführungsform von Beispiel 1, mit der Ausnahme, dass die Wärmepumpe 4 mit dem linken Zweig des Kanals 6 mit dem Zweiwege-Strömungsableiter 26, der Frischlufteinlass 5 und der Ausleitungsauslass 20 weggelassen wurden.
Auch wenn die Erfindung mittels Beispielen bevorzugter Ausführungsformen beschrieben wurde, die Luft als Wärmeträger- und Wärmeverteilungsmedium verwenden, sollte klar sein, dass sich die Erfindung auch auf das allgemeine Prinzip des Heizens/Kühlens von Gebäuden bezieht, wobei natürliche kurzfristige Schwankungen des Klimas in einer Kombination aus Wärmepumpen und einem Wärmespeicher genutzt werden. Somit lassen sich viele alternative Ausführungsformen konzipieren, die für einen Fachmann offensichtlich sind und in den Rahmen dieser Erfindung fallen, einschließlich anderer Formen und Arten von Wärmespeichern, wie Konstruktionsteilen der Gebäude selbst, Schwimmbecken, andere Wärmeträger- und Wärmeverteilungsmedien wie Wasser, usw.
Tabelle 1 Beispiel einer Entscheidungstabelle zum Festlegen von Betriebsarten

Claims

Verfahren zur energiesparenden Temperatur- und Klimaregelung für eine oder mehrere Gebäudebelüftungseinheit(en) (1), wobei eine oder mehrere Wärmepumpe(n) (4, 33) verwendet wird (werden), um Wärmeenergie zwischen der Außenluft und einem gebäudeinternen wärmetransportierenden Strömungsmedium auszutauschen, wobei die Erwärmung und/oder Abkühlung jeder Belüftungseinheit (1) durch Verteilen des gebäudeinternen wärmetransportierenden Strömungsmediums auf jede Belüftungseinheit (1) erzielt wird, dadurch gekennzeichnet, – dass die natürlichen kurzzeitigen Veränderungen der Außentemperatur aufgrund zu erwartender durchziehender Wetterlagen basierend auf Wettervorhersagen und Tag-/Nachtschwankungen verwendet werden, um der einen oder den mehreren Wärmepump(e)n (4, 33) optimierte Bedingungen zur Verfügung zu stellen, so dass die eine oder die mehreren Wärmepumpe(n) (4, 33) nur eingeschaltet wird (werden), um im Fall des Erwärmens des Gebäudes bzw. der Gebäude bei relativ milden/warmen Perioden Außenwärme zu entziehen, die dem gebäudeinternen wärmetransportierenden und -verteilenden Strömungsmedium zugeführt wird, oder nur im Falle des Abkühlens des Gebäudes bzw. der Gebäude bei relativ kühlen/kalten Perioden, um das wärmetransportierende und -verteilende Strömungsmedium abzukühlen, um die Innenwärme auszuleiten, und – dass die Wärmeenergie, die mit der Außenluft ausgetauscht wird, auf Grundlage des Mikroklimas des Gebäudes bzw. der Gebäude, des Energieabzugs/Energiegewinns jeder Belüftungseinheit (1) und der Summe davon für alle Einheiten (1), und des Füllgrads eines Wärmespeichers (11) teilweise dazu verwendet wird, den tatsächlichen Bedarf der Belüftungseinheit(en) (1) zum Erwärmen oder Abkühlen zu decken, und der übrige Teil der Wärmeenergie zu einem Wärmespeicher geleitet wird, um den Wärme- oder Kühlbedarf der Belüftungseinheit(en) (1) während der anschließenden Periode(n) zu decken, wenn die natürlichen Wetterbedingungen weniger günstig zum Austausch von Wärmeenergie aus Außenluft durch den Einsatz der Wärmepumpe(n) (4, 33) ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmebedarf auch dadurch gedeckt wird, dass Wärme aus der Altluft entzogen wird, die aus der einen oder den mehreren Belüftungseinheit(en) (1) austritt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wettervorhersage für die kommenden 5–7 Tage verwendet wird, um den bevorstehenden Wärme- oder Kühlbedarf der Belüftungseinheit(en) (1) zu schätzen, und dass dieser Schätzwert zusammen mit dem tatsächlichen Füllgrad des Wärmespeichers (11) verwendet wird, um zu bestimmen, wann und für wie lange die Wärmepumpe(n) (4, 33) in Anspruch genommen werden sollte(n), um einen optimalen Wärmespeicher für die kommenden 5–7 Tage aufzubauen.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das tatsächliche Mikroklima, wie es durch den Wärmeabzug oder -gewinn jeder Belüftungseinheit (1) ermittelt wird, die Außentemperatur, Benutzereinstellungen, Tageszeit, der Wochentag und die Jahreszeit gespeichert werden, um eine Datenbank aufzubauen, die dazu verwendet werden soll, den Wärme- oder Kühlbedarf der Belüftungseinheit(en) der kommenden 5–7 Tage zu schätzen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Frischluft als wärmetransportierendes und -verteilendes Strömungsmedium verwendet wird, um die Belüftungseinheit(en) (1) des Gebäudes bzw. der Gebäude zu erwärmen oder abzukühlen, und dass die Belüftungs- und Wärmeregelung jeder Belüftungseinheit (1) durch Absaugen von Altluft erzielt wird, die durch abgeglichene Mengen von kalter und/oder warmer Frischluft ausgetauscht wird, um der Austauschfrischluft die gewollte Temperatur zu verleihen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass, damit eine stabile und gleichmäßige Temperatur des wärmetransportierenden und -verteilenden Mediums ungeachtet des Füllgrads des Wärmespeichers (11) erreicht wird, – der Wärmespeicher (11) ein langgestrecktes Rohr oder mehrere langgestreckte Rohre umfasst, das/die mit einem groben Partikelfeststoff mit einer engen Größenverteilung oder einer besonderen Auslegung gefüllt ist/sind, und – der Wärmeaustausch dadurch erfolgt, dass das wärmetransportierende und -verteilende Strömungsmedium so in der einen oder anderen Richtung durch den Partikelfeststoff geleitet wird, dass eine kalte (10) und eine warme (8) Zone an entgegengesetzten Enden des Rohrs entsteht, das eine im Wesentlichen einheitliche kalte bzw. warme Temperatur aufweist.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllgrad des Wärmespeichers (11) dadurch bestimmt wird, dass die Stelle der Temperaturübergangszone zwischen der kalten (10) und der warmen (8) Zone des Wärmespeichers (11) messtechnisch ermittelt wird.
Vorrichtung zur energiesparenden Temperatur- und Belüftungsregelung für eine oder mehrere Gebäudebelüftungseinheit(en) (1), dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung umfasst: – Einrichtungen (2, 3, 22), um Altluft aus der (den) Belüftungseinheit(en) (1) abzuziehen, – Einrichtungen, um die abgezogene Altluft durch abgeglichene Mengen warmer (6, 7, 24) und kalter (12, 13, 25) Frischluft für jede der Belüftungseinheiten (1) auszutauschen, – einen Wärmespeicher (11), der eine warme (8) und eine kalte (10) Zone aufweist, die mit den Einrichtungen zur Zufuhr warmer bzw. kalter Frischluft in Verbindung stehen, – eine oder mehrere Wärmepumpe(n) (4, 33) die Einrichtungen (5, 18) und (16, 29, 34) aufweist bzw. aufweisen, um Wärmeenergie mit der Außenluft auszutauschen, und Einrichtungen, um diese ausgetauschte Wärmeenergie zu einer Versorgung frischer Außenluft zu übertragen, die mit den Einrichtungen zur Zufuhr warmer und kalter Frischluft und der warmen (8) und kalten (10) Zone des Wärmespeichers (11) in Verbindung stehen, – Einrichtungen (26, 31), um die Luftströme zu und aus der (den) Belüftungseinheit(en) (1) und dem Wärmespeicher zu regeln, und Einrichtungen, um die eine oder mehreren Wärmepumpe(n) (4, 33) ein- oder auszuschalten, – Einrichtungen zum messtechnischen Ermitteln des Füllgrads des Wärmespeichers (11), – Einrichtungen zum messtechnischen Ermitteln des Energieabzugs/Energiegewinns jeder Belüftungseinheit (1), und – Einrichtungen zum Regeln des Betriebs der Wärmepumpe(n) (4, 33), Einrichtungen zum Mischen der kalten und warmen Frischluft und des Luftstroms durch jede Belüftungseinheit (1) und den Wärmespeicher (11), auf Grundlage der zu erwartenden Veränderungen der Außentemperatur auf Grundlage der Wettervorhersage, des Füllgrads des Wärmespeichers (11), des Mikroklimas des Gebäudes bzw. der Gebäude, und des Energieabzugs jeder Belüftungseinheit (1) und der Summe davon für alle Einheiten (11).
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtungen Einrichtungen zum Aufzeichnen und Speichern des tatsächlichen Mikroklimas, wie es durch den Wärmeabzug oder -gewinn jeder Belüftungseinheit gemessen wird, der Außentemperatur, Benutzereinstellungen, Tageszeit, des Wochentags und der Jahreszeit umfasst, und Einrichtungen, um diese Daten dazu zu verwenden, den Wärme- oder Kühlbedarf der Belüftungseinheit(en) (1) der kommenden 5–7 Tage zu schätzen.
Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmespeicher (11) ein langgestrecktes Rohr oder mehrere langgestreckte Rohre umfasst, das/die mit einem groben Partikelfeststoff mit einer engen Größenverteilung gefüllt ist/sind, und wobei der Wärmeaustausch dadurch erfolgt, dass die wärmetransportierende Frischluft so in der einen oder anderen Richtung durch den Partikelfeststoff geleitet wird, dass eine kal te und eine warme Zone an entgegengesetzten Enden des Rohrs entsteht, das eine im Wesentlichen einheitliche kalte bzw. warme Temperatur aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das eine langgestreckte Rohr oder die mehreren langgestreckten Rohre des Wärmespeichers (11) einen Durchmesser von ca. 1–1,5 m und eine Länge von 3–20 m, vorzugsweise 5–10 m hat/haben.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchmesser des groben Partikelfeststoffs des Wärmespeichers im Bereich von 20 bis 60 mm liegen.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem groben Partikelfeststoff des Wärmespeichers (11) um zerstoßenen Beton in einer Gesamtmenge von 0,5 bis 2,0 m³ pro m² zu versorgender Bodenfläche handelt.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der kalten Zone des Wärmespeichers (11) im Bereich von 5–20°C, vorzugsweise 7,5–15°C und am bevorzugtesten 8–12°C gehalten wird, und dass die warme Zone des Wärmespeichers im Bereich von 30–60°C, vorzugsweise 35–50°C und am bevorzugtesten 40–45°C gehalten wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 14, darüber hinaus umfassend: – Einrichtungen (14, 30) und (15, 27), um frische Außenluft direkt in die Belüftungseinheiten (1) zuzuführen, die mit den Einrichtungen zur Zufuhr kalter (12, 13, 25) bzw. warmer (6, 7, 24) Frischluft zu den Belüftungseinheiten (1) in Verbindung stehen, – Einrichtungen zum Ausleiten von Luft (17, 18, 19, 20, 21), – Einrichtungen (26, 27, 28, 29, 30, 31) zum Regeln des Luftstroms zu und aus den Einlässen für Frischluft (14, 15), den Auslässen zum Ausleiten von Luft (17, 18, 19, 20, 21), den Belüftungseinheiten (1), dem Wärmespeicher (11) und den Wärmepumpen (4, 33), – Einrichtungen zum Verwenden der Wettervorhersage für die kommenden Tage, um die günstigsten Perioden zu bestimmen, um der Außenluft durch die Wärmepumpe(n) Wärme zu entziehen, – Einrichtungen zum Vorhersagen des erwarteten Energieabzugs/Energiegewinns aus jeder Belüftungseinheit entsprechend der Wettervorhersage und den vergangenen durchschnittlichen Verbrauchsraten auf Grundlage aufgezeichneter Daten für den Wärmeabzug/-gewinn jeder Belüftungseinheit mit der tatsächlichen Außentemperatur, den Benutzereinstellungen, der Tageszeit, des Wochentags und der Jahreszeit, und – Einrichtungen zum Regeln der Vorrichtung entsprechend dem vorhergesagten Wärme-/Kühlbedarf und den günstigen Perioden zum Betreiben der Wärmepumpen (4, 33).
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtungen zum Regeln der Vorrichtung entsprechend dem vorhergesagten Wärme-/Kühlbedarf und den günstigen Perioden zum Betreiben der Wärmepumpen in drei Betriebsarten arbeiten, wobei Betriebsart I eine neutrale Laufbedingung ist, bei der der Wärmebedarf ohne den Einsatz der Wärmepumpe(n) gedeckt werden kann, Betriebsart II die Heizbetriebsart und Betriebsart III die Kühlbetriebsart ist, wobei Betriebsart I umfasst: – Frischluft aus der Luftzufuhreinrichtung (14) durch Gebläse (25) zu den Belüftungseinheiten (1) zu leiten und dann die gebrauchte Belüftungsluft durch ein Gebläse (22) und einen Ableiter (26) durch Luftausleitungseinrichtungen (17) auszuleiten, wobei Betriebsart II umfasst: – eine normale Heizbetriebsart, bei der je nach der Außentemperatur Warmluft dem Wärmespeicher (11) zugeführt oder daraus geliefert wird, indem dieselben Einstellungen wie in Betriebsart I verwendet werden, mit der Ausnahme, dass der Ableiter (26) umgeschaltet wird, um Altluft durch eine Wärmepumpe (4) zu leiten, wobei Frischluft durch die Wärmeenergieaustauscheinrichtungen (5) aufgenommen, erwärmt und durch ein Gebläse (24) zu den Belüftungseinheiten (1) geleitet wird, – eine erste Überschussheizbetriebsart, bei der die Wärmepumpe (4) mehr Wärme erzeugt, als von den Belüftungseinheiten (1) verbraucht wird, während der Wärmespeicher (11) voll ist oder mildes/warmes Wetter bevorsteht, die Wärmepumpe (4) dann abgeschaltet wird, an Luftzufuhreinrichtungen (14) eingelassene Außenluft durch Ableiter (30 und 31) durch den Wärmespeicher (11) abgeleitet und als warme Frischluft durch ein Gebläse (24) zu den Belüftungseinheiten (1) übertragen wird, – eine zweite Überschussheizbetriebsart, bei der die Wärmepumpe (4) mehr Wärme erzeugt, als von den Belüftungseinheiten (1) verbraucht wird, während der Wärmespeicher (11) im Falle, dass kühles/kälteres Wetter bevorsteht, nicht voll ist, der Restbestand aus der Wärmepumpe (4) dann durch ein Zweiwegegebläse (23) zum Wärmespeicher (11) übertragen und über einen Ableiter (31) abgeleitet wird, um an einem Luftauslass (21) auszutreten; – eine dritte Überschussheizbetriebsart, bei der das Wetter gegenwärtig mild/warm ist, aber kaltes Wetter bevorsteht, während der Wärmespeicher (11) nicht voll ist, dann eine Wärmepumpe (33) anläuft, die Außenluft durch eine Wärmeaustauscheinrichtung (34) mit voller Kapazität aufnimmt und den Wärmespeicher (11) mit der 2–3-fachen gewöhnlichen Strömungsrate durch das Zweiwegegebläse (23) auflädt, wobei Kaltluft an einer Luftausleitungseinrichtung (21) über eine Luftstromregeleinrichtung (31) austritt, während ein Gebläse (24) gleichzeitig nach Bedarf Warmluft an die Belüftungseinheiten (1) liefert, und wobei Betriebsart III umfasst: – eine normale Kühlbetriebsart im Falle von gegenwärtig warmem Wetter, dann tritt Warmluft durch eine Luftzufuhreinrichtung (15) und einen Ableiter (27) durch ein Gebläse (24) als warme Frischluft in die Belüftungseinheiten (1) ein, so dass Warmluft durch den Wärmespeicher (11) fließt und gekühlt wird und über Ableiter (31, 30) und ein Gebläse (25) als kühle Frischluft zu den Belüftungseinheiten (1) fließt, – eine zweite Kühlbetriebsart im Falle von gegenwärtig kühlem/kalten Wetter, dann tritt kühle Frischluft an einer Luftzufuhreinrichtung (14) ein, fließt durch Ableiter (30, 31), um den Wärmespeicher (11) zu laden und als warme Frischluft durch das Zweiwegegebläse (23) auszutreten, und tritt über einen Ableiter (27) aus, und etwas von dieser Luft wird je nach dem Bedarf der Belüftungs einheiten (1) über das Gebläse (24) als frische Warmluft zu den Belüftungseinheiten (1) geleitet, – eine dritte Kühlbetriebsart bei gegenwärtig und bevorstehend andauerndem warmem Wetter, und wobei die Gefahr besteht, dass der Wärmespeicher erschöpft wird, dann wird eine Wärmepumpe (33) eingeschaltet und warme Frischluft tritt durch die Wärmeenergieaustauscheinrichtung (34) ein, um in der Wärmepumpe (33) gekühlt zu werden, fließt dann durch einen Ableiter (29) zum Abkühlen sowohl zu einem Gebläse (25) als auch zu Belüftungseinheiten (1), und durch Ableiter (30, 31) zum Wärmespeicher (11) zum Laden, und tritt durch das Zweiwegegebläse (23) und einen Ableiter (27) als Warmluft aus.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 15–16, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung dieselben Einrichtungen umfasst wie die in Anspruch 15 spezifizierte Vorrichtung, mit Ausnahme der Wärmepumpe (4), des Frischlufteinlasses (5), des linken Zweigs des Kanal (6) und des Ausleitungsauslasses (18).
Vorrichtung nach den Ansprüchen 15–16, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung dieselben Einrichtungen umfasst wie die in Anspruch 15 spezifizierte Vorrichtung, mit Ausnahme der Wärmepumpe (33), des Frischlufteinlasses (34), des rechten Zweigs des Kanals (6), des Zweiwegeströmungsteilers (28, 29), des Kanals (16) und des Ausleitungsauslasses (20).